Ток смещения.

Дав формулировку закона Фарадея, зависящую не от конкретных проводников и их движений, а от характеристик полей и , Максвелл задумался над источниками магнитных полей. Получалось, что электрические поля порождаются как зарядами, так и переменным магнитным полем, магнитные же поля – только движущимися зарядами. Максвелл, пытаясь обобщить закон Ампера, показал, что если всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать и обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных отношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения.

Согласно закону Ампера, циркуляция магнитного поля . Развивая идеи Фарадея о поляризации диэлектриков в переменном электрическом поле, Максвелл распространил закон Ампера на случай нестационарных токов. Он изучил разряд конденсатора, заполненного диэлектриком, через проводник, соединяющий обкладки, и сила тока проводимости , где плотность заряда, то в диэлектрике возникают токи, сдвигающие заряды и описываются по аналогии , где коэффициент пропорциональности.

Плотность тока смещения. В диэлектриках , где плотность тока смещения в вакууме, плотность тока поляризации – тока, обусловленного упорядоченным движением электрических зарядов в диэлектрике (смещение зарядов в неполярных молекулах или поворот диполей в полярных молекулах). Возбуждение магнитного поля токами поляризации правомерно, т.к. токи поляризации по своей природе не отличаются от токов проводимости. Плотность тока смещения в вакуумене связана с движением зарядов, а обусловлена только изменением электрического поля во времени, также возбуждает магнитное поле – принципиально новое утверждение Максвелла. Даже в вакууме всякое изменение во времени электрического поля приводит к возникновению в окружающем пространстве магнитного поля. Ток смещения – изменяющееся со временем электрическое поле; поэтому существует не только в вакууме или диэлектриках. Но и внутри проводников, по которым проходит переменный ток. Однако в данном случае он пренебрежимо мал по сравнению с током проводимости. Наличие токов смещения подтверждено экспериментально А.А. Эйхенвальдом.

Максвелл ввел понятие полного тока, равного сумме токов проводимости (а так же конвекционных токов) и смещения. Плотность полного тока

Система уравнений Максвелла в интегральной форме. Электромагнитное поле. Электромагнитные волны.

Теория Максвелла - последовательное обобщение основных законов электрических и электромагнитных явлений.

Источником вихревого магнитного поля явл. ток смещения – переменное электрическое поле.

Закон полного тока: .

Плотность полного тока . Плотность тока смещения

Полная система уравнений Максвелла в интегральной форме:

Первое уравнение показывает, что источниками э/м поля могут быть не только электрические заряды, но и меняющиеся во времени магнитные поля.

Второе – теорема Гаусса для электростатического поля .

Третье - магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями.

Четвертое – теорема Гаусса для магнитного поля .

Связь между величинами: ; ;

Для стационарных полей (, ) ; ; ;

Уравнения Максвелла – наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах.

Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным, т.е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единое электромагнитное поле.

Теория Максвелла:

1. обобщение основных законов электрических и магнитных явлений;

2. смогла объяснить известные экспериментальные факты;

3. предсказала новые явления.

Электромагнитные волны – переменное э/м поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Скорость распространения свободного электромагнитного поля (не связанного с зарядами и токами) в вакууме равна скорости света. Длина электромагнитной волны в вакууме , где скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (скорость света в вакууме). Этот вывод и теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели Максвелла к создания электромагнитной теории света, согласно которой свет представляет собой также электромагнитные волны. Электромагнитные волны на опыте были получены немецким физиком Г.Герцем, доказавшим, что законы их возбуждения и распространения полностью описываются уравнениями Максвелла.

Согласно принципу относительности Эйнштейна, механические, оптические и электромагнитные явления во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково, т.е. описываются одинаковыми уравнениями. Уравнения Максвелла инвариантны относительно преобразований Лоренца: их вид не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, хотя величины в них преобразуются по определенным правилам.

Из принципа относительности вытекает, что отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет относительный смысл. Так, если электрическое поле создается системой неподвижных зарядов, то эти заряды, являясь неподвижными относительно одной инерциальной системы отсчета, движутся относительно другой и, следовательно, будут порождать не только электрическое, но и магнитное поле. Аналогично, неподвижный относительно одной инерциальной системы отсчета проводник с постоянным током, возбуждая в каждой точке пространства постоянное магнитное поле, движется относительно других инерциальных систем, и создаваемое им переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле.

Таким образом, теория Максвелла, ее экспериментальное подтверждение, а так же принцип относительности Эйнштейна приводят к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, базирующихся на представлении об электромагнитном поле.